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质子交换膜燃料电池产业发展概述

北极星储能网  来源:新材料产业  作者:朱俊娥、欧阳洵  2019/6/17 9:59:17  我要投稿  

北极星储能网讯:燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论,是一种将化学能转化为电能的技术,具备良好地发展前景。

(来源:微信公众号“新材料产业”;ID:advancedmateri;作者:朱俊娥、欧阳洵)

一、燃料电池技术简介

1.燃料电池原理及分类

燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。原则上只要反应物不断输入,反应产物不断排除,燃料电池就能连续地发电。氢-氧燃料电池为最常见燃料电池,其反应原理是电解水的逆过程(如图1所示)。

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燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论,是一种将化学能转化为电能的技术,整个过程绿色环保,不产生任何污染物,而且效率高、噪音小,同时燃料技术原理上弥补了其他能源方式(比如锂电池)容量小、充电慢、寿命短的缺点。燃料电池已被欧盟确认为未来替代传统内燃机的绿色能源产品之一。

燃料电池按电解质的种类不同,分为碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)。质子交换膜燃料电池以其工作温度低、转化效率高、功率密度高、可快速启动、且环境友好,被广泛应用于各个领域,小到手机电池、充电宝,大到大型电站;固定式如通讯基站主备用电源、家用热电联产,动如汽车、无人机、水下潜艇等。本文以下主要介绍质子交换膜燃料电池相关技术及产业链情况。

2. 质子交换膜燃料电池系统的组成

燃料电池主要包含起到“心脏”作用的发电单元燃料电池堆,燃料电池辅助系统,燃料电池控制系统。具体构成见图2所示。

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燃料电池堆主要完成氢氧电化学反应发电的功能,发电功率范围根据需要,通过增加单电池数量而增大。电堆发电的同时,产出水和热量,水通过阴极出口排出,热量主要通过冷却循环带出。电堆主要由双极板、膜电极、端板等组成。其中双极板是提供反应物质和冷却液的流道,串联各单体电池并收集电流,起到机械支撑的作用,同时分离氧化剂和还原剂,将反应物均匀分布在膜电极各处,管理电池反应产生的水与热。双极板需具备高导电性、小电阻率、高导热性、良好化学稳定性和耐腐蚀性、高有效面积、良好的机械强度、低成本等特点,其材质主要包括石墨双极板、复合材料双极板和金属双极板等类型,通常包括蛇形流道、直流道、交指流道、网格流道等类型。膜电极一般由质子交换膜、催化剂、气体扩散层组成,其中质子交换膜是电解质隔离膜,起到对质子导通、对电子隔离的作用,目前国际上主要有杜邦公司的聚氟磺酸(Nafion)膜和戈尔公司的复合膜,国内山东东岳集团的质子交换膜。催化剂即发生电化学反应的关键催化媒介物质,一般由铂、钯等贵金属与碳组成,传统为Pt - C催化剂,目前新型的铂合金催化剂已有产业化应用。气体扩散层(GDL)主要为碳纸或碳布,主要起到气体扩散,电流的收集,对质子交换膜起到物理支持的作用等,从而确定催化剂的利用率和整体性能。

燃料电池辅助系统主要包括阴极回路、阳极回路和冷却回路。阴极回路是指空气回路,为燃料电池反应提供氧气(空气中的氧气),主要包括空压机、空滤器、增湿器等部件;阳极回路是指氢气回路,为燃料电池反应提供氢气,主要包括减压阀、氢气循环泵(起到使氢气循环利用的作用)、电磁阀等;冷却回路是指冷却液(去离子水或乙二醇水溶液)循环回路,冷却液循环流动,带走电堆产生热量,主要包括水泵、散热器、储水箱等。燃料电池控制系统集软件和硬件为一体,包括燃料电池控制器以及相应的控制软件。

二、质子交换膜燃料电池产业发展现状

1. 国内外质子交换膜燃料电池发展现状

燃料电池被欧盟认为是未来实现低碳环保经济的重要方式之一,也是未来清洁能源体系不可或缺的重要环节。未来世界能源体系将逐渐从不可再生能源转向可再生能源,减少对高污染储量有限如石油等传统能源的依赖(如图3所示)。但是,可再生能源,如太阳能,风能等储存运输不便,而利用氢气作为新能源燃料的化学储能技术储能密度高,技术成熟,例如西方发达国家已经开始建立氢气管道运输网络;燃料电池技术是国际公认的发电效率最高而碳排放最低的发电环节关键技术。

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目前,国内各地也正积极推动燃料电池发展。2017年9月,上海发布《上海市燃料电池汽车发展规划》,规划到2020年,上海将聚集超过100家燃料电池汽车相关企业,于2025年建成50座加氢站,到2030年实现燃料电池汽车技术和制造总体达到国外同等水平,上海燃料电池汽车全产业链年产值突破3 000亿元[4]。燃料电池的产业化发展与整个产业链的发展密不可分。

大连新源动力股份有限公司为国内燃料电池起步较早的企业之一,成为这一领域的国内领军企业,其研发的氢燃料电池率先在国内汽车行业实现产业化应用。

2017年8月,由亿华通投建的我国第1条自动化氢燃料电池发动机大批量生产线已经正式投产,该产线预估的每年产燃料电池发动机的产能在1万台左右,项目总投资达到了10亿元。

佛山(云浮)产业转移工业园的氢能燃料电池汽车包含氢能乘用车、氢燃料电池城市客车以及燃料电池物流车等多款车型。2016年5月,广东国鸿氢能科技有限公司与加拿大巴拉德签署引进9SSL电堆生产线技术协议,在国内建设年生产20 000台电堆和5 000套系统的首条商业化燃料电池电堆及系统集成生产线。首批试制电堆样品主要性能指标达到国际先进水平。计划2018年生产3 000台9SSL电堆,系统集成1000套。在各方纷纷加码燃料电池汽车产业的背景下,燃料电池已具备大规模工业化生产的能力,未来燃料电池产业将迎来迅速产业化阶段。

随着世界几大汽车集团进行车用燃料电池和燃料电池汽车的研发工作,推动燃料电池的产业化发展,其中世界著名燃料电池公司加拿大巴拉德是复合板电堆最早产业化公司,并最初为多家车厂提供电堆,如本田汽车、日产汽车等。

丰田汽车公司从1992年开始致力于研发工作,1996年10月首次向外界公开燃料电池汽车,2002年12月在日本国内开始租赁,2005年7月获得车型认证。2008年6月发布了燃料电池汽车FCHV-adv。丰田汽车公司的燃料电池汽车从研发初始搭载的就是本公司自主研发的燃料电池,燃料电池汽车发布的同时始终追求燃料电池小型化及高效化的车载燃料电池系统已达到单位容积发电3.1kW/L,与研发之初相比性能已有大幅度提升。随后,丰田FCVmirai于2014年12月15日在日本国内销售,其燃料电池功率为114kW,功率密度为3.1kW/L。

本田汽车公司自搭载Ballard燃料电池的燃料电池汽车之后,2002年开发出搭载自主研发燃料电池的改良型燃料电池汽车,并于2006年9月发布FCX Concept车型,2007年发布FCXclarity并开始租赁。本田燃料电池从1999年到2013年,体积缩小了33%,功率密度达到3.1kW/L。

美国PLUG POWER所配燃料电池单元的外形尺寸为33cm×79cm×98cm,质量为268kg。包括电堆系统、0.8kg氢燃料的燃料罐、充电电池以及DC - DC转换器,额定电压为27V,可连续输出额定电流为78A(燃料电池平均功率2.2kW)5s内可供给400A电流,1s内可供给1 125A电流。电池的容量为550A h,制动时电流的再生最大可达到500A。美国的燃料电池叉车寿命达到了12 500h的水平,在室内空间使用,具有噪音低、零排放的优点。

2. 质子交换膜燃料电池发展前景

从现有数据来看,氢能优势带动氢能源产业发展,短期寻求平稳突破,长期迎来加速发展。从氢能源产业中最核心的氢燃料电池产业来讲,2011年全球氢能与燃料电池市场规模为10.3亿美元,较2010年6.7亿美元增长54%。

日本日经BP清洁技术研究所日前发布的《世界氢能源基础设施项目总览》显示,在2015年包括液化氢基地、管道、固定式燃料电池以及燃料电池车在内的全球氢能源基础设施市场规模只有7万亿日元左右,预期在2015-2020年,氢能源基础设施市场进入平稳的发展时期;而在2020年以后该市场会呈现加速增长态势,到2025年,氢能源基础设施家用市场的规模将超过商用。也正因为如此,在从2020-2025年的5年内,该市场规模将实现倍增,预计达到约20万亿日元;到2050年将达到约160万亿日元(约合1.56万亿美元)。

政策是推动新兴产业发展的指挥棒。自2016年底以来,氢能产业从政策到实业环节,各方动作频频。2016年4月国家发展与改革委员会及国家能源局在系统内部印发《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》,提出了15项重点创新任务,包括煤炭清洁高效利用技术创新、先进核能技术创新、氢能与燃料电池技术创新、先进储能技术创新、能源互联网技术创新等

2016年12月,国务院发布《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,要求“十三五”期间推动车载储氢系统以及氢制备、储运和加注技术发展,推进加氢站建设,并对燃料电池汽车给予最高50万元/台的巨额补贴;2017年6月,时任科技部部长万钢在吉林长春举行的第19届中国科协年会上也表示,氢具有来源广泛、大规模稳定储存、持续供应、远距离运输、快速补充等特点,在未来车用能源中,氢燃料与电力将并存互补,共同支撑新能源汽车产业发展。必须加强协同创新,加快推动氢能燃料电池产业全面发展。

3.氢璞创能燃料电池技术及产品

北京氢璞创能科技有限公司(以下简称“氢璞创能”)成立于2010年。一直致力于燃料电池的研发和产业化,是为数不多的拥有核心技术自主知识产权及产业化技术的燃料电池厂家之一。目前,氢璞创能拥有30余项项燃料电池及生产线相关发明专利与保密技术。

拥有石墨板电堆、复合板电堆和金属板电堆技术及产品。氢璞创能电堆与国内外燃料电池厂家电堆参数对比见表1。

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(1)氢璞2代3~12kW石墨板电堆

氢璞第2代3~12kW石墨板电堆(见图4),该电堆为中/低压水冷堆,电堆输出电流范围为0~260A,效率不低于40%,主要用于物流车、大巴车、叉车、固定式电源等对空间要求相对较低的应用环境。该电堆性能稳定,为目前稳定生产产品,其产品已应用于多款车型,部分已车辆已取得公告,应用于四川移动通信基站、江苏移动(宿迁)通信基站等。

(2)氢璞第3代18~36kW复合板电堆

氢璞第3代复合板电堆(见图5),额定功率18~36kW,该产品兼具低压、中压、高压的能力,为国际一流碳基复合板电堆。其功率密度为1.5kW/L,工作电流范围0~300A,电堆效率不低于52%,具有更长寿命,兼容车载动力与电力市场。同时,该产品由自动化产线生产,具有更高品质,更低成本。具体参数见表2。

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(3)氢璞第1代金属板电堆

氢璞中美团队自2014年创建金属板电堆团队,共同打造第一代金属板电堆(见图6)额定功率为20~50kW,该产品具有独特流场及结构设计,体积功率密度不低于2.5kW/L,质量功率密度不低于2.0kW/kg,工作电流范围为0~400A,电堆效率不低于52%,最大阳/阴极工作压力为200/200kPa,预期寿命不低于5000h(详见表3)。在该产品的基础上,氢璞团队目前正在研制第二代金属板电堆,该产品已完成设计,其体积功率密度不低于4.0kW/L,目前进入设计验证及工艺选型阶段,预期2018年完成原型机的验证。

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(4)5~36kW氢燃料电池系统

目前氢璞成熟氢燃料电池系统为5~36kW(见图7),可并联扩容。该产品通过集成化设计,将电堆、辅助系统、燃料电池控制器集成为一体,体积小、且具有巡检单片电压的功能,具有高效化学空滤器,环境适应能力强。该产品90%以上部件实现国产化,成本低。

(5)产品应用

氢璞创能具有燃料电池产品及甲醇制氢技术,可为多领域提供技术方案(如图8),如大巴车、物流车、汽车、叉车以及通讯基站等提供燃料电池,基于甲醇制氢技术提供微型加氢站方案及氢能储能系统。氢璞创能与多家整车厂合作,其中东风燃料电池箱式货运车EQ5080XXYTFCEV4进入工业和信息化部推荐目录。

4.氢璞创能燃料电池产业化发展

氢璞创能作为国家高新技术企业,除具有高级、尖端的燃料电池产品,同时拥有具有自主知识产权的燃料电池电堆全自动化生产线(见图9)。该产线电堆产能达到2000台/年,可扩容至5000台/年,适应生产线应具备一定扩展能力,MES系统允许增加设备。兼容多种板型复合板的制备、双极板制作、电堆组装及检测的的功能。具有生产进度、各工序主设备状态、在制品状态、质量信息、效率信息可查询并以表格和图形展示的功能;具有原材料与电堆产品间的双向追溯的能力;具有电堆产品生产过程的追溯(达到工序级)功能;同时具有车间组织结构、产线物理结构、产品工艺路线、物料信息、检验标准和规则可视化建模。

三、结语

目前,无论是从国家政策支持层面、地方政府支持力度,还是从燃料电池技术发展、社会资金流向以及产线链发展来看,我国燃料电池产业蓄势待发,行业前景十分可观。

从燃料电池系统及电堆技术角度来看,国内燃料电池技术逐渐进入国际先进水平。国内燃料电池系统及电堆企业也在加足马力,在扩大生产规模的同时,研发新的、更加先进的技术。


原标题:质子交换膜燃料电池技术及产业发展概述

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